Biomechanische Auswirkungen digital konstruierter subperiostaler Implantate aus Titan, modifiziertem PEEK und PEKK auf den atrophierten Oberkiefer: Eine Finite-Elemente-Analyse

Mohammed A. El-Sawy, Basin El-Khatib, Hesham S. Borg, Mohamed T. Khater.

Full text link: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40640731/ 

Biomechanische Auswirkungen digital konstruierter subperiostaler Implantate aus Titan, modifiziertem PEEK und PEKK auf den atrophierten Oberkiefer: Eine Finite-Elemente-Analyse

1. Wissenschaftliche Referenz

• Studientitel: Biomechanical effects of digitally constructed titanium, modified polyetheretherketone, and polyetherketoneketone subperiosteal implants on atrophied maxilla: a finite element analysis.
• Autoren: Mohammed A. El-Sawy, Basin El-Khatib, Hesham S. Borg, Mohamed T. Khater.
• Fachzeitschrift: BMC Oral Health
• Erscheinungsjahr: 2025.
• DOI: 10.1186/s12903-025-06426-z.

2. Wissenschaftlicher Hintergrund

Die implantologische Versorgung eines stark atrophierten Oberkiefers gehört nach wie vor zu den anspruchsvollsten Herausforderungen der oralen Rehabilitation. Reicht das vorhandene Knochenangebot für konventionelle enossale Implantate nicht aus, kommen häufig aufwendige Verfahren wie Knochenaugmentationen, Sinusbodenelevation oder Jochbeinimplantate zum Einsatz. Diese Behandlungsstrategien ermöglichen zwar eine festsitzende Versorgung, sind jedoch oftmals mit erhöhter chirurgischer Morbidität, verlängerten Heilungszeiten sowie mehreren operativen Eingriffen verbunden.

Die rasante Entwicklung digitaler Planungsverfahren, CAD/CAM-Technologien und additiver Fertigung hat das Interesse an patientenspezifischen subperiostalen Implantaten erneut geweckt. Moderne, digital gefertigte Implantatgerüste lassen sich präzise an die individuelle Anatomie des Oberkiefers anpassen und eröffnen neue Behandlungsoptionen für Patienten mit ausgeprägter Kieferatrophie, bei denen klassische Implantatkonzepte nur eingeschränkt realisierbar sind.

Vor diesem Hintergrund gewinnt die Wahl des geeigneten Gerüstmaterials zunehmend an Bedeutung. Titan gilt aufgrund seiner langjährig bewährten mechanischen Eigenschaften weiterhin als Referenzmaterial. Gleichzeitig rücken Hochleistungspolymere wie modifiziertes PEEK (BioHPP) und PEKK in den Fokus der Forschung, da ihr Elastizitätsmodul näher an dem des kortikalen Knochens liegt und dadurch ein günstigeres biomechanisches Verhalten erwartet wird. Ziel der vorliegenden Untersuchung war es, den Einfluss dieser Werkstoffe auf die Spannungsverteilung im atrophierten Oberkiefer unter funktioneller Belastung zu analysieren.

3. Ziel der Studie

Ziel dieser Untersuchung war es, den Einfluss verschiedener Materialkombinationen für das subperiostale Implantatgerüst und die prothetische Suprakonstruktion auf die biomechanische Belastungsverteilung im atrophierten Oberkiefer zu bewerten.

Mithilfe einer Finite-Elemente-Analyse verglichen die Autoren Titan, modifiziertes PEEK und PEKK in insgesamt neun Materialkombinationen, um deren Auswirkungen auf die Spannungsverteilung im Knochen, in den Fixationsschrauben, in der Zementschicht sowie in den prothetischen Komponenten unter klinisch relevanten Belastungssituationen zu untersuchen.

4. Methodik

Bei der vorliegenden Arbeit handelt es sich um eine präklinische Finite-Elemente-Studie (Finite Element Analysis, FEA). Grundlage der Simulation war ein dreidimensionales digitales Modell eines atrophierten Oberkiefers, das aus Computertomographie-Daten erstellt und anschließend über einen vollständig digitalen CAD-Workflow in die Simulationssoftware ANSYS übertragen wurde. Zur Überprüfung der Modellzuverlässigkeit erfolgte ein Vergleich mit bereits veröffentlichten Finite-Elemente-Studien.

Das individuell konstruierte subperiostale Implantat wurde mit zwölf Titan-Minischrauben von 2 mm Durchmesser sowie Längen von 5, 7 und 9 mm fixiert. Sowohl für das subperiostale Gerüst als auch für die prothetische Suprakonstruktion wurden Titan, modifiziertes PEEK (BioHPP) und PEKK eingesetzt, sodass insgesamt neun unterschiedliche Materialkombinationen untersucht werden konnten.

Zur Simulation funktioneller Belastungen wurden drei klinisch relevante Belastungsprotokolle definiert:

• bilaterale vertikale Seitenzahnbelastung von 200 N,
• bilaterale schräge Seitenzahnbelastung von 100 N bei einem Belastungswinkel von 30°,
• vertikale Frontzahnbelastung von 150 N im Bereich der Schneidezähne.

Bewertet wurden insbesondere die Von-Mises-Spannungen, Hauptspannungen sowie die Gesamtverformungen der Implantatversorgung und des umgebenden Knochens.

5. Wichtigste Ergebnisse

Die Finite-Elemente-Simulationen zeigten deutliche biomechanische Unterschiede zwischen den untersuchten Gerüstmaterialien. Über alle Belastungsszenarien hinweg wiesen subperiostale Implantatgerüste aus Titan die günstigste Spannungsverteilung auf. Im Vergleich zu den polymerbasierten Werkstoffen wurden geringere Belastungen auf den umgebenden Knochen sowie auf die Fixationsschrauben übertragen. Dieser Vorteil trat insbesondere bei der Belastung im Frontzahnbereich hervor, die sich als das kritischste Belastungsszenario der gesamten Untersuchung erwies.

Die niedrigsten Spannungswerte im Knochen wurden durchgehend bei Titangerüsten gemessen. Modifiziertes PEEK führte zu den höchsten Knochenbelastungen, während PEKK hinsichtlich seines biomechanischen Verhaltens zwischen beiden Materialien lag. Besonders unter vertikaler Belastung der Schneidezähne näherten sich die im Knochen gemessenen Spannungen bei den polymerbasierten Gerüsten den von den Autoren diskutierten physiologischen Grenzwerten an, wohingegen Titan unterhalb dieser Werte blieb.

Ein vergleichbarer Trend zeigte sich an der Zementschicht. Titan erzeugte sowohl unter posteriorer als auch unter anteriorer Belastung die geringsten Spannungen. Dagegen wurden bei modifiziertem PEEK die höchsten Belastungen registriert. Nach Einschätzung der Autoren könnte insbesondere die Frontzahnbelastung bei flexibleren Werkstoffen das theoretische Risiko einer Entzementierung der Suprakonstruktion erhöhen.

Interessanterweise traten innerhalb der prothetischen Gerüststruktur selbst die höchsten Spannungen bei Titan auf. Dies ist jedoch Ausdruck der höheren Steifigkeit des Materials und nicht als nachteiliger Effekt zu interpretieren. Durch seine größere Festigkeit nimmt Titan einen größeren Anteil der funktionellen Belastung auf und reduziert dadurch die Kraftübertragung auf Knochen, Zementschicht und Fixationsschrauben. Modifiziertes PEEK und PEKK absorbieren einen Teil der Belastungsenergie, verteilen die Kräfte jedoch weniger effizient innerhalb des Gesamtsystems.

Die Spannungen in den Titan-Minischrauben blieben unter allen simulierten Belastungsbedingungen innerhalb sicherer mechanischer Bereiche. Zwar stiegen die Belastungen bei Verwendung polymerbasierter Gerüste an – insbesondere unter Frontzahnbelastung –, dennoch überschritten sie die für Titanschrauben angegebenen Sicherheitsgrenzen nicht. Darüber hinaus lagen sämtliche berechneten Verformungen unabhängig von der Materialkombination innerhalb der physiologischen Grenzen des Modells, sodass unter den simulierten Belastungen kein strukturelles Versagen erwartet wurde.

6. Klinische Analyse

Die vorliegende Arbeit liefert wertvolle biomechanische Erkenntnisse für einen Bereich der modernen Implantologie, der derzeit zunehmend an Bedeutung gewinnt: patientenspezifische, digital gefertigte subperiostale Implantate. Im Gegensatz zu zahlreichen früheren Untersuchungen, die einzelne Komponenten isoliert betrachteten, analysiert diese Studie das Zusammenwirken des Materials des subperiostalen Implantatgerüsts und der prothetischen Suprakonstruktion. Dadurch entsteht ein umfassenderes Verständnis der mechanischen Belastungsverhältnisse innerhalb der gesamten implantatgetragenen Versorgung.

Die Ergebnisse verdeutlichen, dass die Materialsteifigkeit einen entscheidenden Einfluss auf die Belastungsverteilung besitzt. Titan zeigte aufgrund seiner hohen Festigkeit die günstigste biomechanische Performance. Obwohl innerhalb des Titanrahmens höhere Eigenbeanspruchungen auftraten, wurden gleichzeitig Knochen, Minischrauben und Zementschicht wirksamer entlastet. Aus biomechanischer Sicht stellt dieses Verhalten einen Vorteil dar, da die langfristige Stabilität biologischer Strukturen wichtiger ist als eine möglichst geringe Beanspruchung eines hochfesten Metallgerüstes.

Modifiziertes PEEK und PEKK zeigten ein anderes mechanisches Verhalten. Aufgrund ihres niedrigeren Elastizitätsmoduls absorbieren diese Werkstoffe einen größeren Teil der funktionellen Belastungsenergie und weisen eine höhere Elastizität auf. Gleichzeitig führte diese Flexibilität jedoch zu einer stärkeren Kraftübertragung auf den umgebenden Knochen sowie auf die Fixationselemente. Besonders bei vertikaler Belastung im Frontzahnbereich wurden erhöhte Spannungen im Knochen, im Zement sowie im subperiostalen Gerüst festgestellt. Die Ergebnisse machen deutlich, dass Hochleistungspolymere nicht pauschal als Ersatz für Titan betrachtet werden sollten, sondern ihre biomechanische Eignung wesentlich von der klinischen Belastungssituation abhängt.

Gleichzeitig weisen die Autoren ausdrücklich darauf hin, dass es sich um eine numerische Simulation handelt. Die Finite-Elemente-Methode erlaubt eine detaillierte Analyse der Spannungsverteilung, kann jedoch biologische Prozesse wie Knochenremodellierung, Osseointegration, individuelle Unterschiede der Knochenqualität, parafunktionelle Belastungen oder Langzeiteffekte nicht vollständig abbilden. Deshalb sollten die Ergebnisse als biomechanische Entscheidungsgrundlage verstanden werden und nicht als unmittelbarer Nachweis einer klinischen Überlegenheit eines bestimmten Materials.

7. Klinische Anwendungen

Die Ergebnisse dieser Untersuchung können die digitale Therapieplanung bei Patienten mit ausgeprägter Oberkieferatrophie unterstützen, wenn eine Versorgung mit individuell gefertigten subperiostalen Implantaten vorgesehen ist. Auf Grundlage der biomechanischen Simulation erscheint Titan insbesondere für klinische Situationen mit hohen Kaukräften, festsitzenden Vollbogenrekonstruktionen oder natürlicher Gegenbezahnung als das geeignetste Gerüstmaterial, da es die Belastung des umgebenden Knochens sowie der Fixationskomponenten am effektivsten reduziert.

PEKK und modifiziertes PEEK könnten hingegen bei sorgfältig ausgewählten Patienten mit geringerer funktioneller Belastung eine Alternative darstellen. Die Autoren nennen insbesondere Patienten mit reduziertem Kaudruck, einer Totalprothese im Gegenkiefer oder Rekonstruktionen im Frontzahnbereich als mögliche Einsatzgebiete. Da diese Schlussfolgerungen ausschließlich auf einer Finite-Elemente-Analyse beruhen, sollten sie jedoch erst durch experimentelle Untersuchungen und klinische Langzeitstudien bestätigt werden, bevor sie in allgemeine Behandlungsempfehlungen übernommen werden können.

8. Evidenzniveau, Limitationen und Transparenz

Bei der vorliegenden Arbeit handelt es sich um eine präklinische Finite-Elemente-Analyse (Finite Element Analysis, FEA). Diese Methodik stellt ein etabliertes Werkzeug der biomechanischen Forschung dar und ermöglicht eine detaillierte Untersuchung der Spannungsverteilung innerhalb komplexer Implantat- und Prothesensysteme. Dennoch ersetzt eine numerische Simulation keine klinische Studie. Aussagen zur Implantatüberlebensrate, zu biologischen Reaktionen oder zur Langzeitprognose können aus den vorliegenden Ergebnissen daher nicht unmittelbar abgeleitet werden. Die Resultate sind vielmehr als theoretische biomechanische Evidenz zu verstehen, die zukünftige experimentelle und klinische Untersuchungen unterstützen kann.

Die Autoren weisen auf mehrere Einschränkungen ihrer Untersuchung hin. Das Simulationsmodell basiert auf der Anatomie eines einzelnen atrophierten Oberkiefers, wodurch die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf die allgemeine Patientenpopulation begrenzt ist. Darüber hinaus wurden sämtliche Materialien als isotrop, homogen und linear-elastisch modelliert. Diese Annahmen vereinfachen die tatsächlichen mechanischen Eigenschaften des kortikalen und spongiösen Knochens ebenso wie das Verhalten moderner Hochleistungspolymere unter klinischen Bedingungen.

Ein weiterer wesentlicher Aspekt besteht darin, dass ausschließlich statische Belastungssituationen untersucht wurden. Dynamische Kaubelastungen, Materialermüdung, Kriechverhalten, biologische Knochenremodellierung sowie patientenspezifische Faktoren wie Bruxismus oder unterschiedliche Knochenqualitäten wurden nicht berücksichtigt. Ebenso erfolgte keine experimentelle Validierung der numerischen Ergebnisse anhand von Laborversuchen oder klinischen Daten. Daher sollten die biomechanischen Schlussfolgerungen mit entsprechender wissenschaftlicher Vorsicht interpretiert werden.

Hinsichtlich der wissenschaftlichen Transparenz erklären die Autoren, dass keine Interessenkonflikte bestehen. Die Open-Access-Veröffentlichung wurde durch die Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) in Zusammenarbeit mit der Egyptian Knowledge Bank (EKB) unterstützt. Gleichzeitig betonen die Autoren, dass für die Durchführung der Studie keine spezifische Forschungsförderung durch öffentliche, kommerzielle oder gemeinnützige Institutionen gewährt wurde.

9. Kernaussagen der Studie

• Studientyp: Präklinische Finite-Elemente-Analyse (FEA).
• Evidenzniveau: Präklinische computergestützte biomechanische Untersuchung.
• Untersuchungsmodell: Dreidimensionales CT-basiertes Modell eines stark atrophierten Oberkiefers.
• Anzahl der Patienten: Ein anatomisches Simulationsmodell.
• Untersuchte Materialkombinationen: Neun Kombinationen aus Titan, modifiziertem PEEK (BioHPP) und PEKK.
• Nachbeobachtungszeit: Nicht anwendbar (Computersimulation).
• Primärer Endpunkt: Spannungsverteilung im Knochen, in den Fixationsschrauben, in der Zementschicht sowie in den Implantat- und Prothesenkomponenten unter verschiedenen Belastungsszenarien.
• Hauptergebnis: Titan zeigte unter allen simulierten Belastungsbedingungen die günstigste biomechanische Belastungsverteilung und reduzierte die Kraftübertragung auf Knochen und Fixationselemente am effektivsten.
• Wissenschaftliche Schlussfolgerung: Titan bleibt das Referenzmaterial für patientenspezifische subperiostale Implantate, während PEKK und modifiziertes PEEK unter ausgewählten Bedingungen potenzielle Alternativen darstellen könnten.
• Wesentliche Limitationen: Einzelnes anatomisches Modell, vereinfachte Materialannahmen, ausschließlich statische Belastungen sowie fehlende experimentelle und klinische Validierung.

10. Wissenschaftliche Bedeutung

Diese Studie erweitert die wissenschaftliche Evidenz im Bereich der digital gefertigten patientenspezifischen subperiostalen Implantate. Während frühere Finite-Elemente-Analysen häufig einzelne Werkstoffe oder isolierte Implantatkomponenten untersuchten, analysiert die vorliegende Arbeit erstmals systematisch den kombinierten Einfluss verschiedener Materialien des subperiostalen Implantatgerüstes und der prothetischen Suprakonstruktion auf das biomechanische Verhalten des gesamten Versorgungssystems.

Die Ergebnisse bestätigen die zentrale Rolle von Titan als Referenzmaterial für individuell gefertigte subperiostale Implantate. Gleichzeitig liefern sie neue Erkenntnisse über das mechanische Verhalten moderner Hochleistungspolymere wie modifiziertes PEEK und PEKK. Anstatt diese Werkstoffe als direkten Ersatz für Titan zu betrachten, verdeutlicht die Studie, dass ihre Leistungsfähigkeit wesentlich von der jeweiligen Belastungssituation und der prothetischen Konstruktion abhängt. Damit leistet die Arbeit einen wichtigen Beitrag zu einer differenzierten und patientenorientierten Materialauswahl im Rahmen digitaler Implantattherapien.

Darüber hinaus zeigt die Untersuchung den Bedarf an weiterführender Forschung auf. Insbesondere experimentelle Laboruntersuchungen, Langzeitbelastungstests sowie prospektive klinische Studien sind erforderlich, um zu überprüfen, ob die in der Simulation beobachteten biomechanischen Vorteile auch unter klinischen Bedingungen zu einer verbesserten Langzeitprognose führen.

11. Redaktionelles Fazit

Die vorliegende Finite-Elemente-Analyse liefert eine umfassende biomechanische Bewertung digital konstruierter subperiostaler Implantate aus Titan, modifiziertem PEEK und PEKK für die Rehabilitation des stark atrophierten Oberkiefers. Innerhalb der Grenzen einer numerischen Simulation zeigte Titan die günstigsten mechanischen Eigenschaften, indem es die Belastung des umgebenden Knochens, der Fixationsschrauben und der Zementschicht am effektivsten reduzierte. Modifiziertes PEEK und PEKK stellen zwar vielversprechende Hochleistungswerkstoffe dar und könnten unter bestimmten klinischen Voraussetzungen eingesetzt werden, ihre langfristige klinische Leistungsfähigkeit muss jedoch zunächst durch experimentelle Untersuchungen und prospektive klinische Studien bestätigt werden. Insgesamt liefert diese Arbeit einen wichtigen wissenschaftlichen Beitrag zur Weiterentwicklung digital individualisierter Implantatkonzepte und unterstreicht die entscheidende Bedeutung der Materialwahl für den langfristigen biomechanischen Erfolg subperiostaler Implantatrehabilitationen.